Устройство и принцип работы турбин основных типов

Основным признаком, характеризующим тип турбины, явля­ется конструкция ее проточной части, которая состоит из трех основных конструктивных элементов: устройства, подводящего воду к рабочему органу; непосредственно рабочего органа или рабочего колеса; устройства, отводящего воду от рабочего колеса. Конструкции турбин должны удовлетворять следующим требо­ваниям: должна быть исключена возможность удара потока жид­кости о подвижные и неподвижные, твердые и жидкие поверх­ности; потери на трение о твердые поверхности должны быть мини­мальными; отработанная жидкость должна выходить из турбины с возможно меньшим запасом энергии.

Главным конструктивным элементом турбины является рабо­чее колесо. В зависимости от конструкции колеса и принципа взаимодействия его с пото­ком жидкости различают четыре вида турбин: ковшо­вые, осевые, диагональные и радиально-осевые.

Рассмотрим устройство и принцип работы турбин ос­новных типов.

Ковшовая турбина (рис. 2). Турбина представляет собой рабочее колесо 7, ук­репленное на валу 8 выше уровня воды. Колесо вра­щается в воздухе, и только часть лопаток взаимодей­ствует с водой. Вода подается на рабочие лопасти 6 по трубопроводу 2 через сопло 1. Рабочее колесо состоит из диска, по окружности которого укреплены рабочие лопасти, по форме похожие на ковши (отсюда название ковшовая). Каждая лопасть выполнена в виде двух полусфер, разделенных ножом 5. Рабочее колесо установлено в корпусе таким образом, чтобы ножи сов­падали с осью струи. При натекании на лопасти струи делятся ножом на две части. Каждая из частей обтекает свою полусферу, воз­действуя на лопасти с силой Р.

Чтобы приблизить струю к центру ковша и устранить удар тыльной стороны лопасти о струю, в лопасти сделана специаль­ная прорезь 4 шириной не менее диаметра d_c струи. Размеры ло­пастей также устанавливаются в зависимости от диаметра струи: ширина - (2,8-3,6)d_c, длина - (2,5-2,8) d_c, толщина -
(0,9-1,0) d_c. Число лопастей на рабочем колесе подбирается таким образом, чтобы, во-первых, струя не могла проскочить мимо ковша, т. е. при отходе одной лопасти следующая сразу попадала под струю, и, во-вторых, чтобы каждый последующий ковш не мешал сходу воды с предыдущего. В зависимости от диаметра рабочего колеса общее количество лопастей колеблется от 12 до 40.

Так как скорость обтекания лопастей потоком жидкости очень велика, чтобы уменьшить потери мощности, ковши должны быть изготовлены с большой точностью и качественно обработаны. Кро­ме того, лопасти турбины работают в условиях переменной на­грузки: она максимальна тогда, когда лопасть проходит через струю, а в другое время отсутствует. Это вызывает усталость ме­талла, способствует расшатыванию и ослаблению крепления ковшей. Конструкции крепления лопастей к диску постоянно совершен­ствуются. В последние десятилетия стали применять неразъемные цельнолитые и сварно-литые рабочие колеса.

Мощность, развиваемую турбиной, регулируют изменением по­дачи воды через сопло. Для этих целей служит игла 2, которая позволяет изменять или полностью перекрывать выходное сечение сопла. Временно снизить мощность турбины можно и без умень­шения подачи воды через сопло. Для этих целей служит дефлек­тор, который либо отклоняет, либо отсекает струю.

Рабочее колесо вращается в подшипниках, смонтированных в корпусе турбины, защищенном от разбрызгивания воды кожухом (корпус и кожух на рисунке не показаны). Увеличивая число сопл, подводящих воду к рабочему колесу, можно получить две, четыре или шесть струй; при этом соответственно увеличивается и мощ­ность турбины.

По расположению вала ковшовые турбины делятся на гори­зонтальные и вертикальные. Горизонтальные турбины могут иметь одно или два рабочих колеса на одном валу. В вертикальных тур­бинах, как правило, устанавливается одно рабочее колесо.

В России построено всего несколько ГЭС, оснащен­ных ковшовыми турбинами. В частности, на Татеевской ГЭС уста­новлены вертикальные шестисопловые турбины мощностью 54,6 МВт, изготовленные на Ленинградском металлическом заводе (ЛМЗ).

Такая турбина, рассчитанная на работу при напоре 576-538 м, имеет сварно-литое рабочее колесо из нержавеющей стали диа­метром D= 1,86 м с 20 лопастями и сопло с диаметром выходного отверстия d_c = 200 мм.

Осевая турбина (рис. 3). Вращающаяся часть (ротор) тур­бины состоит из рабочего колеса с лопастями 9, вала 1 и обте­кателя 10. К статору 5 примыкают турбинная камера 6 и направ­ляющий аппарат 7. Статор состоит из двух мощных металлических поясов (колец): верхнего опорного 4 и нижнего 8, обеспечиваю­щих прочность всей конструкции. Рабочее колесо содержит от 4 до 8 лопастей. Лопасти либо крепятся жестко под некоторым углом к оси вращения колеса, либо выполняются поворотными; в этом случае угол их установки может изменяться в зависи­мости от нагрузки. В первом случае турбина называется пропел­лерной, во втором - поворотно-лопастной. За рубежом пово­ротно-лопастные турбины обычно называют турбинами Каплана — по имени чешского изобретателя, разработавшего эту конструк­цию. Осевые поворотно-лопастные турбины имеют более высокие энергетические показатели, чем пропеллерные.

Турбинная камера 4 выполнена из стали или бетона и имеет в сечении трапецеидальную форму. Направляющий аппарат со­стоит из направляющих лопаток, которые образуют кольцевые ре­шетки. Лопатки крепятся в нижнем кольце 8 и в крышке турбины 3 посредством осей, что обеспечивает возможность их поворота. На крышке установлен направляющий подшипник 2, ограничи­вающий радиальные перемещения вала рабочего колеса. Число лопаток устанавливается в зависимости от напора: в крупных турбинах при небольшом напоре оно равно 32, при более высоком - 24, а иногда - 20. Назначение направляющего аппарата - регу­лировать подачу воды и обеспечивать закрутку потока перед его входом на лопасти рабочего колеса. Для изменения положения направляющих лопаток служит специальный механизм.

Важным конструктивным элементом реактивной осевой турби­ны является отсасывающая труба 11, представляющая собой плавно расширяющийся водовод, обеспечивающий постепенное сни­жение скорости потока жидкости.

Осевая поворотно-лопастная турбина. Турбинами данного типа оборудовано большинство крупных гидростанций страны. На ри­сунке 4 показана поворотно-лопастная турбина мощностью 126 МВт, установленная на Волжской ГЭС (1- опорная конструкция; 2 - верхнее опорное кольцо; 3 - механизм поворота направляющих лопаток; 4 - турбинная камера; 5 - на­правляющий аппарат с лопатками; 6 - статор; 7 — лопатки рабо­чего колеса; 8 — нижнее опорное кольцо; 9 — вал рабочего коле­са). Она рассчитана на напор до 30 м (номинальный 19,5 м) и максимальный расход 700 м³/с. Диаметр рабочего колеса 9,3 м, КПД 93,5%.

Осевые поворотно-лопастные турбины могут быть выполнены не только с вертикальным, но и с горизонтальным расположе­нием вала. Особенно широкое распространение получили горизон­тальные осевые турбины для погружных, или капсульных, агре­гатов, у которых электрогенератор расположен в стальной капсуле, обтекаемой водой. Турбины такого типа устанавливают на низко­напорных ГЭС, а также на ГЭС, использующих энергию прилива.

В РФ на побережье Баренцева моря работает Кислогубская приливная ГЭС с горизонтальными гидротурбогенераторами мощностью 400 кВт. На рисунке 5 показан горизонтальный капсульный турбоагрегат Киевской ГЭС. Турбина и генератор за­ключены в стальную капсулу 4. В состав агрегата входят также отсасывающая труба 5, сорозадерживающая решетка 3, затворы водослива 1 для пропуска паводковых вод, коммуникационная шахта 2. Прямоосное движение потока и отсутствие поворота в отсасывающей трубе позволяют уменьшить гидравлические потери и повысить КПД. Горизонтальные турбины развивают мощность на 20-25% выше, чем вертикальные с аналогичными параметрами.

Диагональные турбины. Диагональные турбины разработаны сравнительно недавно. Они рассчитаны на работу при более вы­соких напорах и отличаются от осевых турбин главным образом тем, что лопасти рабочего колеса установлены под меньшим углом наклона к оси его вращения (45-60°). В связи с этим конструк­ция рабочего колеса и камеры диагональных турбин несколько изменены по сравнению с осевыми, а стартор, направляющий ап­парат и механизм привода направляющих лопаток такие же. На рисунке 6 показана крупнейшая диагональная поворотно-ло­пастная турбина мощностью 215 МВт с диаметром рабочего колеса 6 м, созданная на ЛМЗ.

Лопасти рабочего колеса 5 с цапфами 4 укреплены под углом 45° в корпусе 2 сферической формы. На каждой цапфе имеется рычаг 6, соединенный шаровым шарниром с тягой 3, предназна­ченный для одновременного поворота всех лопастей рабочего ко­леса на один и тот же угол. Привод этого механизма произво­дится от сервомотора 1. Камера 7 рабочего колеса имеет сфери­ческую форму. Это обеспечивает небольшие зазоры между стенками камеры и лопастями рабочего колеса, что повышает КПД тур­бины.

Радиально-осевые турбины (рис. 7). Турбины данного типа (за рубежом их называют турбинами Френсиса) предназначены для работы при средних напорах (от 40 до 700 м). Конструкция рабочего колеса радиально-осевой турбины существенно отлича­ется от рассмотренных выше. Лопасти 11 колеса для большей прочности жестко заделаны в ступицу 4 и обод 10 и образуют как бы круговую решетку. Рабочее колесо соединяется фланцем с валом 2. Для снижения гидравлических потерь при выходе воды с лопаток служит обтекатель 12.

Вода подводится к рабочему колесу по турбинной камере 6 спиральной формы. Стартор 7, направляющий аппарат 9, верхнее 5 и нижнее 8 опорные кольца, крышка 3 и другие элементы мало отличаются от соответствующих конструкций элементов рассмотренных осевых турбин.

Радиально-осевые турбины установлены в РФ и СНГ на многих крупных ГЭС: Днепропетровской ГЭС (75 МВт), Братской ГЭС (225 МВт), Красноярской ГЭС (508 МВт), Саяно-Шушенской ГЭС (650 МВт) и др. Например ра диально-осевая турбина Братской ГЭС рассчитана на напор до 106 м, имеет диаметр рабочего колеса 5,5 м, КПД 93%.

Области применения турбин различных классов и типов в зависимости от напора показаны на рис. 8. Из схемы видно, что осевые турбины применяются при низких напорах (не выше 70 м), диагональные – при напорах 40-200 м, а радиально-осевые – при напорах 40-700 м. Таким образом, реактивные турбины работают в широкой области напоров (от 1-2 до 700 м). Наиболее высокий напор (от 400 до 1500 м и более) способны воспринимать активные ковшовые турбины.

Области применения турбин некоторых типов перекрываются. Например, при напорах 50-70 м могут работать и осевые, и диагональные, и радиально-осевые турбины. В этом случае при выборе типа турбины решающее значение имеют технико-экономические соображения.